陳伶莉 胡雪峰

摘要 以遺傳物質(zhì)本質(zhì)的探究歷程為明線索，以假說一演繹法的一般流程作為暗線索貫穿整個課堂，通過對科學家經(jīng)典實驗的深入學習與剖析，增強學生的科學探究能力和實驗設計的技能。

關鍵詞 遺傳物質(zhì) 科學探究 實驗設計 教學設計

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2018）11-0003-03

1教材分析

《必修2·遺傳與進化》模塊的中“生物遺傳”內(nèi)容可劃分為“遺傳規(guī)律”和“遺傳本質(zhì)”兩個單元，其中“遺傳本質(zhì)”是在學習了“遺傳規(guī)律”的基礎之上，探索遺傳物質(zhì)的本質(zhì)及其表達方式，為進一步學習“生物的變異”與“生物的進化”奠定基礎。“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”屬于“遺傳本質(zhì)”單元，本節(jié)主要介紹遺傳物質(zhì)本質(zhì)探索歷程中肺炎雙球菌的體內(nèi)外轉化和噬菌體侵染大腸桿菌的兩個經(jīng)典實驗，通過對科學家經(jīng)典實驗的深入學習與剖析，增強學生的自主探究能力和實驗設計的技能，有助于提高學生的生物學學科核心素養(yǎng)。學生學習了本節(jié)內(nèi)容后，明確了DNA是主要的遺傳物質(zhì)，可為進一步探究遺傳物質(zhì)的結構、復制方式以及其本質(zhì)等指明方向。

2學習者分析

學生已經(jīng)學習了細胞的有絲分裂、減數(shù)分裂和受精作用等細胞學基礎知識，了解了DNA的基本單位以及染色體、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的化學組成，為新知識的學習奠定了堅實基礎。此外，學生通過之前“遺傳規(guī)律”單元的學習，也具備了一定了實驗設計能力。

學生已經(jīng)知道“遺傳因子”的概念，但不清楚“遺傳因子”的本質(zhì)是什么以及如何起作用。另外，部分學生的實驗設計能力還不夠完善。因此，教師在講課時應適時布置任務，啟發(fā)學生思考實驗設計的思路，引導學生獨立設計實驗，培養(yǎng)其實驗設計的能力。

3教學目標

（1）舉例說明“轉化”的概念;舉例說明“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”。

（2）分析格里菲斯的實驗過程，訓練提出假設的技能;分析艾弗里和蔡斯的實驗過程，訓練實驗設計的技能。

（3）認同人類對遺傳物質(zhì)本質(zhì)的探索是連續(xù)且不斷深化的過程;認同科學技術和科學發(fā)展是相輔相成的關系，技術進步促進科學發(fā)展，科學發(fā)展反過來又會促進科學技術的進一步提升;分析艾弗里和蔡斯的實驗過程，養(yǎng)成嚴謹、認真和實事求是的科學態(tài)度。

4教學過程

4.1問題探討，導入新課

教師指導學生閱讀教科書4項“問題探討”的內(nèi)容，并啟發(fā)學生思考：遺傳物質(zhì)可能具有什么特點？教師隨機提問幾名學生，并在學生回答的過程中引導其完善答案：遺傳物質(zhì)應具有信息性、傳遞性、復制性和變異性等特點。

設計意圖：教師引導學生明確遺傳物質(zhì)應該具有的特點，使學生能夠理解為什么當時科學家會認為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)。

4.2新課教學

4.2.1對遺傳物質(zhì)的早期推測

教師指導學生閱讀教科書42頁“對遺傳物質(zhì)的早期推測”相關內(nèi)容，并展示“染色體、蛋白質(zhì)和DNA”示意圖，帶領學生一起分析20世紀20年代對生物大分子蛋白質(zhì)、DNA的研究現(xiàn)狀：當時人們已經(jīng)知道蛋白質(zhì)分子結構特點使其具有信息性，而對DNA分子結構尚未清晰了解，從而提出假說——蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)。

設計意圖：教師通過指導學生閱讀相關信息，使其了解當時科學家所處的社會環(huán)境和掌握的信息，引導學生提出假說——蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)。

4.2.2肺炎雙球菌的體內(nèi)轉化實驗

教師向?qū)W生說明：第一個通過確鑿的實驗證據(jù)向遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)的觀點發(fā)起挑戰(zhàn)的是美國科學家艾弗里，而艾弗里的實驗又是建立在格里菲斯的實驗基礎之上。這樣從而引入格里菲斯的肺炎雙球菌的體內(nèi)轉化實驗。

教師再展示格里菲斯的個人信息和生平簡介，介紹肺炎雙球菌類型及其亞型，并結合教師中的一、二組實驗過程介紹其不同的特點。根據(jù)構成莢膜的多糖存在差異，將S型菌分為S-I、S-Ⅱ、S-Ⅲ三種亞型，Ⅲ型毒性最強。R型菌的亞型與S型菌的相似。教師介紹格里菲斯實驗的初衷：他觀察到感染S-Ⅱ（有毒）型的病患在愈后過程中，血清中出現(xiàn)R-Ⅱ病菌（無毒），即發(fā)生了突變。他思考：R-Ⅱ菌是否會回復突變?yōu)镾-Ⅱ菌？為此，他做了兩個實驗。

①通過肺炎雙球菌體外細胞培養(yǎng)實驗的結果，發(fā)現(xiàn)：在體外連續(xù)培養(yǎng)多代的S型菌和R型菌，各亞型S型菌均可突變?yōu)橄鄳獊喰蚏型菌（S-I突變?yōu)镽-I;S-Ⅱ突變?yōu)镽-Ⅱ）。綜合觀察現(xiàn)象和實驗一結果，得出結論：R型菌是由S型菌突變產(chǎn)生的，且突變僅發(fā)生在同亞型間。

②通過肺炎雙球菌小鼠體內(nèi)培養(yǎng)實驗的結果，發(fā)現(xiàn)：向小鼠體內(nèi)注射大量的某亞型R型菌，有時候能獲得相應亞型的S型菌，而有時R型菌能夠在小鼠皮下組織存活2～3周也不會發(fā)生突變。

教師引導學生思考：為什么會出現(xiàn)不同的結果？學生推測，當R型菌攜帶大量S型菌莢膜多糖時，才可能發(fā)生回復突變。接著，針對如何驗證該推測是否正確，教師引入書本上第三組實驗：將加熱殺死的s-Ⅲ型細菌注射入小鼠體內(nèi)，小鼠不死亡。證明無R型菌存在下，單獨的S型菌莢膜多糖無致死效應。因此格里菲斯做了第四組實驗，將R-Ⅱ活菌+殺死S-Ⅲ菌混合物（莢膜多糖）注入小鼠體內(nèi)。結果發(fā)現(xiàn)：小鼠死亡，在死亡的小鼠體內(nèi)分離出S-Ⅲ活菌，并可穩(wěn)定遺傳。這說明格里菲斯的推測是正確的，由此引入“轉化”的概念。教師引導學生提出解釋實驗結果的假說：加熱殺死的s-Ⅲ型菌中含有“轉化因子”，使R-Ⅱ型活菌轉化為S-Ⅲ型活菌.

設計意圖：教師介紹科學家實驗的初衷，帶領學生回顧科學家的“提出問題、設計實驗、解決問題”的實驗流程，訓練學生提出假說的能力。

4.2.3肺炎雙球菌的體外轉化實驗

教師進一步向?qū)W生說明：S型菌的結構復雜，主要包括DNA、蛋白質(zhì)和莢膜多糖等物質(zhì)。教師引導學生思考：如何設計實驗證明轉化因子究竟是S型菌的哪種成分呢？實驗設計的關鍵在于什么？教師安排學生分組討論，思考實驗設計的方案，使學生在合作學習中，領悟該實驗設計的關鍵思路：將S型菌的DNA、蛋白質(zhì)和莢膜多糖等物質(zhì)分離開，單獨觀察其作用。隨后，教師帶領學生回顧艾弗里的經(jīng)典實驗過程，進一步引導學生思考：艾弗里為何還用S型菌的DNA與DNA酶混合后，再與R型菌混合培養(yǎng)？學生各自表達自己的觀點，教師引導學生修正結論。教師進一步向?qū)W生說明：艾弗里實驗證明S型菌的DNA是“轉化因子”，并且其DNA使R型菌轉變?yōu)镾型菌后這一性狀可以穩(wěn)定地遺傳給后代，因此，艾弗里提出了新的假說DNA是遺傳物質(zhì)。

教師補充說明當時一些科學家所認為的該實驗的不足：由于提純和分離技術的限制，艾弗里實驗中提取的DNA分子，即使純度最高時還含有質(zhì)量分數(shù)為0.02%的蛋白質(zhì)。

設計意圖：學生體會艾弗里體外轉化實驗的關鍵設計思路，進行實驗設計的技能訓練，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和縝密的科學思維。

4.2.4噬菌體侵染細菌的實驗

教師接著向?qū)W生介紹赫爾希和蔡斯以T2噬菌體為實驗材料，有利地證明了艾弗里的假說是正確的。教師展示T2噬菌體的模式圖，并介紹T2噬菌體的結構及其特點：結構簡單，只由蛋白質(zhì)外殼和內(nèi)部的DNA構成，專一地寄生在大腸桿菌體內(nèi)。教師播放動畫，并介紹噬菌體侵染大腸桿菌并完成自我復制的生理過程，強調(diào)其生殖特點：蛋白質(zhì)外殼與DNA可以完全分離，并且噬菌體一個完整的侵染周期約為20min。介紹完噬菌體的特點后，教師指導學生閱讀教科書44～45頁中相關內(nèi)容，學生分組討論，思考以下問題：

①為什么要在分別含有放射性同位素32P和35S的培養(yǎng)基中培養(yǎng)大腸桿菌，再用該大腸桿菌培養(yǎng)T2噬菌體？

②該實驗所選擇的實驗材料是什么？

③該實驗所采用的實驗方法是？技術手段是什么？

④該實驗的自變量和因變量分別是什么？

⑤保溫的時間最長不得超過多少時間？

教師深入介紹赫爾希和蔡斯的實驗過程。之后，學生代表匯報問題答案，教師對其進行修正，并提出新的問題：為什么35S標記的噬菌體侵染大腸桿菌的實驗結果中在沉淀物也能檢測到較低的放射性？教師引導學生提出兩個解決問題的假說：①物理因素，實驗過程中的攪拌和離心不夠充分;②也有可能是0.02%的蛋白質(zhì)進入大腸桿菌并起了主要的作用。教師進一步向?qū)W生說明：為了驗證假說的正確性，赫爾希進一步檢測了子代噬菌體的放射性，不能檢測到35S標記的蛋白質(zhì)。由此證明了DNA才是真正的遺傳物質(zhì)。

設計意圖：在問題串的引導下，學生自主閱讀生物學經(jīng)典實驗，分析實驗過程并從中提取相關信息，了解該實驗的實驗材料、實驗方法和各種變量等，并在掌握這些信息后進行一定的推理，對不符合預期的實驗現(xiàn)象提出解釋的假說，訓練進行科學探究和實驗設計的能力。

4.3鞏固新知，總結概念

教師展示煙草花葉病毒、流感病毒和HIV等病毒的結構示意圖，并告知學生這些病毒不含DNA，只含蛋白質(zhì)和RNA，啟發(fā)學生思考這些病毒只能以RNA為遺傳物質(zhì)。接著，師生共同對遺傳物質(zhì)本質(zhì)探索的歷程進行歸納，可以表格的形式呈現(xiàn)最后的結果。師生共同總結細胞結構生物（原核、真核）的遺傳物質(zhì)為DNA，部分非細胞結構生物（病毒）遺傳物質(zhì)為RNA，因此DNA是主要的遺傳物質(zhì)。

設計意圖：教師拋出科學家們新的發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有實驗結果間的矛盾，引發(fā)學生進一步深入思考。教師帶領學生一起對科學家實驗過程進行歸納，提升學生總結歸納的能力。

4.4教學反思

本節(jié)的教學設計明面上以遺傳物質(zhì)本質(zhì)的探究歷程為線索，實際上以假說一演繹法的一般流程作為暗線索貫穿整個課堂，使學生不斷經(jīng)歷“提出假說一驗證假說一提出新的假說”過程，領悟科學結論的得出必須經(jīng)過嚴密的科學實驗。教師適時讓學生思考相關實驗的關鍵設計思路和實驗材料與變量的控制等，訓練學生提出假說和實驗設計的能力，提高學生的科學探究能力。這也是生物學科中核心素養(yǎng)所要求的。在實際的教學中，教師要根據(jù)實際需要查詢相關資料，對科學史的內(nèi)容進行相應補充，有利于學生對科學家實驗過程的理解。本節(jié)體現(xiàn)最明顯的是格里菲斯的實驗設計過程，否則學生不明白格里菲斯設置三、四組實驗的目的，也就沒辦法深入理解該實驗。